（电力电子与电力传动专业论文）dstatcom变流器及控制策略的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 最后对研制样机进行了试验。通过试验波形可以看出采用交错驱动技术的 d s t a t c o m 相比于传统的d s t a t c o m ，在减小输出纹波和直流侧纹波方面有 明显的优势。 关键词：静止同步补偿器，变流器并联，正弦p w m ，交错驱动，纹波 i i 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fi n d u s t r y 。t h ep o w e rc u s t o m e ra r em o r ea n dm o r e p a r t i c u l a ra b o u tt h ep o w e rs u p p l yq u a l i t ya n dd e p e n d a b i l i t y a tp r e s e n t ，t h er e a c t i v e l o a d ，e s p e c i a l l yt h ei m p u l s i v er e a c t i v el o a d ，i tn o to n l yi n c r e a s e sp o w e rl o s sb u ta l s o s e r i o u s l yd e t e r i o r a t e st h ep o w e rq u a l i t yo fc u s t o m e r s d i s t r i b u t i o nn e t w o r kf o rs t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( d s t a t c o m ) i sa ni m p o r t a n to n eo fd y n a m i cr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c e s ，b e c a u s eo fi tg o o dc o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c ec a l lb e t r a c k e dc o m p e n s a t i o no fr e a c t i v ep o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a n da l s oc a nr e d u c et h e i m p a c to fl o a d i n go nt h ei m p a c to fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h ec o r er e s e a r c ho f d - s t a t c o mt e c h n o l o g yi st h ec o n v e r t e ra n di t sc o n t r o ls t r a t e g y t h i sp a p e rp r e s e n t ss o m ec o n t r o ls t r a t e g y , i n t r o d u c e si n v e r s es y s t e mm e t h o da n d d i f f e r e n t i a lg e o m e t r ym e t h o d ，e s p e c i a l l yi n t r o d u c e sd i r e c tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d t h i sp a p e r p r e s e n t sd i f f e r e n td i r e c t c u r r e n tc o n t r o lm e t h o d s t a t c o mc o n v e r t e rd e v i c e l e v e lc o n t r o ls t r a t e g yh a v eb e e ns t u d i e df o rd i r e c t c u r r e n tc o n t r o la n di n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o lo ft h ec o m m o n l yu s e dm e t h o d so fs t u d y , d i s c u s s i o no ft h es t a t c o mi nt h es q u a r ew a v em o d ea n dp w mm o d ec o n t r o l m e t h o du s e d i n t r o d u c e dt w ot y p eo ft h ei n v e r s es y s t e mm e t h o da n dd i f f e r e n t i a l g e o m e t r yw h i c hu s i n gi nt h en o n l i n e a rs y s t e m s s u m m i n gu pt h em e t h o do ft h ed i r e c t c u r r e n tc o n t r o l ，p r e s e n t i n gt h ec o n t r o lm e t h o dt h a tu s i n gi nt h ep a p e r t h ee s t a b l i s h m e n to fv o l t a g es o u r c ei n v e r t e rp e r - u n i to ft h es t a n d a r dm o d e l ， a n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo ft h et w od e v i c ep a r a m e t e r so ft h er a t e dc a p a c i t yo f r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nq a n dt h em a x i m u mo u t p u t r i p p l e 岛渡，t h e r e l a t i o n s h i pw i t ht h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s ；t h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r si n c l u d i n g t h ew o r ko fd cs i d ev o l t a g e ，s e r i e sr e s i s t a n c ev a l u e 三a n dt h ec a r r i e rr a t i o 刀 a n dt h ec o n s t r a i n t so ft h e s en u m b e r s i np a r a l l e lt ot h e s t a g g e r e ds t r u c t u r e o f m u l t i - d r i v ec o n v e r t e rm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sf o rt h e d e s i g nf o u n di nc o n t r a s t ， m u l t i d r i v es t a g g e r e dp a r a l l e ld e s i g nb r i d g es t r u c t u r e ，t h ec o n s t r a i n t sr e l a t i o n s h i po f t h e s ea r er e l a t i v e l ys m a l l t h i si sp r o v i d em o r ec h o i c ef o rt h es e l e c to ft h em a i n l y i i i 山东大学硕士学位论文 c i r c u i tp a r a m e t e r s ，c o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a lp w mc o n t r o lm e t h o d ，i t se a s i e rt oo b t a i n g o o ds y s t e mp e r f o r m a n c e b yt h er e s e a r c ho fm a i nc i r c u i ts t r u c t u r ea n dc o n t r o lm e t h o da b o u tm u l t i - d r i v e s t a g g e r e dc o n t r o l ，t h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sa r ed e s i g n e df o rf o u r - d r i v es t a g g e r e d t o c o n t r o ld e v i c e a n dm a i nc i r c u i td e v i c e sa r es e l e c t e d c o n t r o ls y s t e mi sr e a l i z e d 州t h t h e d i g i t a ld e v i c e ，t h es t e a d y s t a t ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r e v e r i f i e db ys i m u l a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m e s t a b l i s h m e n ta l la s p e c t so ft h ed e v i c em o d e l s ，a p p l i c a t i o nt h et y p i c a ll i n e a ri s y s t e m sa n dt h et y p i c a lt y p ei is y s t e mc o n t r o lt h e o r y , d i r e c tc u r r e n tc o n t r o lo ft h e c u r r e n tr e g u l a t o ra n dv o l t a g er e g u l a t o rd e s i g np a r a m e t e r s ，a n dt ov e r i f yt h es i m u l a t i o n a n dc o n t r o ls y s t e mp a r to ft h er e a l i z a t i o no fs p e c i f i cp r o g r a m s f i n a l l y , t h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o t o t y p ew a s t e s t e d t e s tw a v e f o r mc a nb es e e n t h r o u g ham u l t i - s t a g g e r e dd r i v ed - s t a t c o mt e c h n o l o g yc o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a l d - s t a t c o m ，w h i c hh a v ead i s t i n c ta d v a n t a g ei nr e d u c i n gt h eo u t p u tr i p p l ea n d r i p p l ed c k e yw o r d s ：s t a t c o m ；p a r a l l e lc o n v e r t e r ；s i n - p w m ；d r i v e rs t a g g e r e d ；r i p p l e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：摩弘日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：酞导师签名 日期： 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 在电力系统中，由于电感、电容元件的存在，系统中不仅存在着有功功率， 而且存在着无功功率。无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中 不可缺少的条件。无功功率的传输会产生很大的有功损耗，而且沿传输路径上会 产生很大的电压降落，并使电网的视在功率增大，这会给系统造成不良的影响。 为解决无功问题，各种各样的无功补偿装置相继出现，特别是随着半导体开关器 件的不断发展，基于自换相变流电路的静止无功补偿装置静止同步补偿器 ( s n 玎c o m ) 诞生了。 1 1 无功补偿的意义 无功问题的研究历史可以追溯到1 9 世纪后期，那时有学者发现，在正弦电 路中，负载引起的电压、电流间的相位差导致电能在电源与负载间的往复传输， 这一现象被认为是无功功率的表征。电网中无功的大量存在，不仅占用了有限的 线路传输能力，而且造成设备受电端电压的波动。无功功率并不是被装置消耗掉 了，而只是将电能转换为另一种形式的能。这种能作为电气设备能够作功的必备 条件，并且这种能是在电网中与电能进行周期性转换的。无功补偿的核心思想就 是给无功创造一个周期转换的通路，使其不占用电网的容量。 电网在运行时，电源供给的无功功率是电能转换为其它形式能的前提，它为 电能的输送、转换创造了条件。变压器变压与输送电能，电动机转动等都需要无 功。但是，长距离输送无功又会造成有功功率的损耗和电压质量的降低，这不仅 影响电网的安全经济运行，而且也影响电能的质量。为此，我们根据用电设备消 耗无功的多少，在负荷较集中、无功消耗较多的地点增设了无功电源点，使无功 的需求量就地得到解决，这样不但减少了无功传输过程中造成的能量损耗和电压 降落，而且提高了供用电双方和社会的经济效益。 1 2 无功补偿装置介绍 1 2 1 无功补偿装置的现状与发展 无功补偿装置从最早的电容器开始，历经了电容器、同步调相机、静止无功 1 山东大学硕士学位论文 补偿器( s v c ) ，直到今天引人瞩目的s t a t c o m 几个不同的阶段1 1 2 1 ，根据是否 采用半导体开关器件可将无功补偿装置分为早期无功补偿装置和现代无功补偿 装置。其具体分类情况如图1 1 所示： 图1 - 1 无功补偿装置的分类 电容器补偿：目前应用最广泛的无功补偿方法，它是将电力电容接在电网上， 补偿电网中的感性无功，其特点是原理简单，安装、运行和维护都很方便，可补 偿运行比较稳定的系统的无功，但其存在着不能连续调节无功，补偿效果随电网 电压的波动而波动，容易引起系统的谐波放大等缺点。当系统( 电网) 电压下降 时，电容器的补偿量与电压的平方成正比，使得电容器的补偿量急剧下降，从而 使系统电压下降更大。当系统电压有谐波时，可能发生谐振，使谐波电流放大， 甚至造成电容器的烧毁。 同步调相机：同步电机处在过励状态时，可以从电网吸收相位超前于电压的 电流；欠励运行时，可以从电网中吸收相位滞后于电压的电流，这就是同步调相 机可以进行无功补偿的原理。根据电网负载情况的不同，适当调节调相机的励磁 电流，可改变调相机吸收的无功功率，使电网的功率因数接近于1 。在电网负载 重时，让其过励运行，减少输电线中滞后的无功电流分量，从而可减少线路压降； 在输电线轻载的情况下，让其欠励运行，吸收滞后的无功电流，可防止电网电压 上升，从而维持电网的电压在一定的水平上。同步调相机还有提高电力系统稳定 2 山东大学硕士学位论文 性的作用。然而，由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都很大，运行维护复杂， 而且响应速度慢。 静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) ：s v c 是通过控制晶闸管的 导通角来快速调整并联电抗器的大小或投切电容器组来实现对无功电流的补偿。 其基本类型有晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r - - - t c r ) 和晶闸管 投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r - - t s c ) 。t c r 也可以和固定电容器组 配合使用，组成f c + t c r 补偿电路，静止无功补偿器可以动态的跟踪无功的变 化，分级补偿无功或连续补偿无功，响应速度较快，且具有噪声小、损耗小、控 制较简单等优点，但对于无功变化剧烈的场合，其响应速度还是相对较慢。 静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) 学术上也 称作静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r - - - s v g ) ，是将全控桥式电路通过电抗 器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值， 或者直接控制其交流侧的电流，实现动态无功补偿和滤除少量谐波的目的。静止 同步补偿器具有可连续跟踪无功，响应速度快，损耗噪声小等优点，但控制复杂。 1 2 2 无功补偿装置的特点 目前动态无功补偿装置应用最广泛的是静止无功补偿器( s v c ) ，虽然比起 早期的无功补偿装置其具有许多的优点，但与s t a t c o m 相比也有不足，这里将 现代无功补偿设备中的s v c 与s t a t c o m 的主要特点加以比较，并简单阐述各 种无功补偿装置的特点【3 1 。 使用晶闸管的静止无功补偿器( s v c ) ，以其优良的性能，得到广泛的应用。 同样作为现代无功补偿装置的s t a t c o m 比起s v c 在性能上则更进一步，主要 表现在： s t a t c o m 电压特性大大强于s v c s t a t c o m 在电源性能上相当于一个可控电流源，其电流值不受母线电压波 动的影响，而输出无功与电压成正比；s v c 则相当于并联在母线上的晶闸管控 制的电容器电抗器组，其输出的无功与电压的平方成正比。例如当系统电压由 1 0 降低为0 ，7 时，s t a t c o m 输出的无功降低到o 7 ，而s v c 的无功降低到o 4 9 。 此外，s t a t c o m 具有短时过载能力，s t a t c o m 抑制电压波动的能力远强于 f 3 山东大学硕士学位论文 s v c 。 s t a t c o m 控制性能优于s v c s v c 是通过晶闸管控制电抗器的电流来调节输出的无功大小，而s t a t c o m 是一个由直流侧电容提供电压支撑的逆变器，通过控制逆变器输出电压或电流使 s 仉盯c o m 吸收或发出无功，具有电压性能好、响应速度快的特点。 s t a t c o m 可抑制谐波，而s v c 则产生谐波 s v c 工作时会产生谐波，必须配备滤波装置；而s t a t c o m 采用全控器件， 不产生低次谐波，对低次谐波还有一定的抑制作用。正是由于这个原因，s v c 需要配置体积较大的低次滤波器，所以s v c 的体积通常大于同容量的 s t a t c o m 。 当然s t a t c o m 与s v c 相比也存在电路结构复杂，控制方法多样并且复杂 等特点。对于s t a t c o m 与其他无功补偿装置相比的一些特点总结见表1 1 表1 - 1 无功补偿装置特点 装置 同步调相饱和电晶闸管控制晶闸管投切电混合型静止补偿静止同步补偿器 项目 机( s c )抗器( s r ) 电抗器( t c r ) 容器( t s c ) 器( t c r + t s c )( s t a t c o m ) 、 响应速度慢较快 较快 较快较快快 吸收无功连续连续连续分级连续连续 控制简单不可控较简单较简单较简单复杂 谐波电流无大大无 大小 分相调节有限不可可以有限可以可以 损耗大较大 中 小小小 噪声 大大小小 小小 从表1 1 中我们不难看出，静止同步补偿器( s 吖汀c o m ) 具有相应速度快、 吸收无功连续、产生谐波电流小、可以分相调节、损耗小噪声小等优剧5 1 ，但控 制比较复杂而且所需的全控性半导体器件价格比较高。随着半导体制造工艺的成 熟，其价格总体上呈现下降的趋势，而质量和性能却在不断地提高，加上控制技 术的不断成熟，s t a t c o m 相对于传统的无功补偿装置，其制造成本将不断降低， 再加上其优越的性能，s t a t c o m 无疑代表了当今无功补偿技术的一个发展方 向。 4 山东大学硕士学位论文 1 3s t a t c o m 的研究现状与发展【5 - 刀 1 3 1s t a t c o m 的分类 按主电路基本组成单元，可分为电压型s t a t c o m 和电流型s t a t c o m 。电 压型s t a t c o m 主电路的基本组成单元是电压型逆变器，而电流型s t a t c o m 主 电路的基本组成单元是电流型逆变器【4 1 【5 1 。目前投入工业应用的都是电压型 s t a t c o m 。 按应用场合，可分为输电系统s t a t c o m 和配电系统s t a t c o m 。其中由于 用户电力技术的提出，配电系统s t a t c o m 又称作d s t a t c o m 。输电系统 s t a t c o m 装置的容量较大，主电路结构复杂，其作用主要是提高输电网络的电 力传输能力，提高输电系统稳定性，减少线路损耗。配电系统s t a t c o m ( 又称 d - s t a t c o m ) 主要是提高配电网络的电力传输能力，提高配电系统稳定性，减 少线路损耗。而本文要研究的是配电系统s t a t c o m 在低压部分的应用，其主要 作用是提高系统功率因数，且具有电压等级低、容量小、主电路结构相对简单等 特点，为讨论问题方便不刻意区分s t a t c o m 与d s t a t c o m 。 按主电路拓扑，可分为多重化结构s t a t c o m 和链式结构s t a t c o m 。多重 化结构s t a t c o m 用变压器对其基本单元进行耦合，各基本组成单元共用一个直 流电压，而链式结构s t a t c o m 则是将基本组成单元进行串联，各基本组成单元 的直流电压是独立的。 按控制原理，可分为直接电流控制s t a t c o m 和间接电流控制s t a t c o m 。 直接电流控制是指采用跟踪型p w m 控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控 制；间接电流控制s t a t c o m 是通过控制s t a t c o m 逆变器交流侧基波电压的 相位和幅值，从而间接的控制s t a t c o m 的交流侧的输出电流。 1 3 2s w 盯c o m 发展现状 1 9 8 0 年日本三菱公司研制出了2 0 m v a 采用强迫换相晶闸管桥式电路的 s n 盯c o m 引起了各国电力工业界的重视。1 9 8 6 年1 0 月在纽约投入示范运行。 此后美国e p r i 与田纳西电力局( t e n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y ，t v a ) 和西屋电气公 司合作，在田纳西电力局的s u l l i v a n5 0 0 k v 变电站建造一套容量为1 0 m v a r 的 5 山东大学硕士学位论文 s t a t c o m ，于1 9 9 6 年1 0 月投入运行至今。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国分别 研制成功了一套8 0 m v a 和1 0 0 m v a 的采用g t o 晶闸管的s t a t c o m 装置，并 且最终成功地投入了商业运行。进入2 1 世纪后，日本的三菱、德国的西门子、 瑞士的a b b 、美国的阿尔斯通等国际大公司相继研制生产了众多的s t a t c o m ， 应用于电站、变电站、风电厂、钢厂等场所【1 1 。 在国内，1 9 9 5 年8 月，由河南省电力局和清华大学共同研制了一台3 0 m v a r 的s t a t c o m ，并在清华大学并网成功。1 9 9 9 年3 月，由河南省电力局和清华大 学共同研制的2 0 m v a r 的s t a t c o m 在河南省朝阳变电站并网成功。2 0 0 7 年8 月辽宁荣信电力电子股份有限公司生产的我国第一套应用于电气化铁路的高压 大功率静止无功发生器( s 仉玎c o m ) 在上海铁路局用于电气化铁路电能质量治 理。 最初的s t a t c o m 主要应用在高压系统 6 】。随着半导体器件的发展，特别是 i g b t 、i g c t 等高开关频率器件的出现，s t a t c o m 在低压系统中的应用，也引 起了广泛的重视。早期输电系统s t a t c o m 大多采用g t o 器件，由于g t o 的 开关频率较低，因此采用多电平或多重化技术来消除变流器自身产生的低次谐 波。对于低压配电系统s t a t c o m ，主电路结构比较简单，为提高补偿容量也可 以采用多重化结构，开关器件多采用i g b t 。低压配电系统s t a t c o m 的应用是 目前各个科研院所、高校等机构研究的一个热点，如清华大学、西安交通大学、 上海交通大学、山东大学等都有低压配电系统s t a t c o m 研究论文发表。北京水 木源华科技发展有限公司、山东的风光电子科技发展有限公司、山大华天股份有 限公司等高新技术企业都致力与s t a t c o m 应用的研究，并且有的已有成型的产 品。 1 3 3s t a t c o m 的应用 s t a t c o m 最初应用于输电系统。对于配电系统中的d s t a t c o m 的应用， 在以下方面还有很大的潜力 7 1 。 应用于配电站 国内电网无功容量普遍不足，而且在用电高峰时，供电母线的电压会降低， 此时需要补偿的无功要求多，但传统的无功补偿设备在电压下降时，提供的无功 6 山东大学硕士学位论文 补偿量与电压的平方成正比，所以提供的无功补偿量不是增大了，而是减少了； 在用电低谷时，供电母线的电压会升高，此时需要补偿的无功要求少，但传统的 无功补偿设备在电压升高时，提供的无功补偿量与电压的平方成正比，所以提供 的无功补偿量不是减少了而是增大了，从而也抬高了母线电压。d s t a t c o m 可 以双向调节补偿的无功，即既能提供容性无功也能提供感性无功，所以可以最有 效的保证配电系统的电压质量。 应用于电气化铁路 d s t a t c o m 能够快速的补偿无功的特性，使其成为电气化铁路中无功补偿 设备的首选。第十个五年计划中，我国有1 8 0 0 0 公里的铁路实现了电气化，2 0 0 5 年1 月7 日，温家宝主持召开国务院常务会议，讨论并原则通过了中长期铁路 网规划，明确了我国铁路网中长期建设目标：到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达 到1 0 万公里，电气化率要达到5 0 ，即十几年的时间，我们要有3 0 0 0 0 公里的 铁路要实现电气化。这意味着需要为配电系统提供大量的s t a t c o m 以保证电能 质量。 应用于冶金、化工、装备制造业等行业和风力发电行业 冶金、化工、装备制造等行业耗能高，存在大量非线性负荷，供电要求复杂， 存在大量无功和谐波，而且无功实时变化，d s t a t c o m 可以快速的跟踪补偿变 化的无功，并且可以消除一定谐波。我国在2 0 0 8 年经济危机的大背景下，调整 产业结构，大力振兴冶金行业，振兴汽车、造船等装备制造业，必然需要对这些 行业的配电网进行改造，使其满足生产需要。另外，风力发电也是我国解决能源 问题的重要一环，也是我国重点发展的产业。风力发电设备产生的电能在并网之 前需要对其进行调整。d s t a t c o m 在冶金、化工、装备制造等行业和风力发电 行业的应用优势在国外已经显现。 1 3 4s t a t c o m 的研究方向 电力电子技术的发展使得s t a t c o m 的工程应用研究也出现了两个明显的 趋势。一是不断采用新器件。与原来s t a t c o m 普遍采用的g t o 相比，新型功 率器件( 如i g b t 、i e g t 等) 具有很多优点：饱和压降低、安全工作区宽、驱动 功率低、工作频率高等。二是应用范围更广。除了继续向高压大容量方向发展， 7 山东大学硕士学位论文 另一方面向中低压配网的应用发展，旨在提高用户的电能质量。 从整体上看，s t a t c o m 的研究涉及到电力电子技术、计算机技术、自动控 制技术和通信技术等多个领域内的尖端科技，因此，目前s t a t c o m 的研究无论 是基础理论研究方面，还是工程应用方面仍然存在很大的难题，其主要包括以下 几个方面： s t a t c o m 的主电路拓扑结构一般采用曲折变压器加多重化方案，这种连 接方式就成为目前s t a t c o m 研究中的一个难题。 整个系统所有元件的动态特性和系统结构、参数、运行工况以及控制有 紧密关系，如何从系统级层次研究电力系统的潮流与稳定和s t a t c o m 的运行之 间的关系，是s t a t c o m 研究中的又一难题。 如何设计s t a t c o m 的非线性控制器，保证系统在所有参数范围内的渐进 稳定性是s t a t c o m 研究中的第三个难题。为解决这个问题，一些学者提出运用 非线性控制理论和人工智能的设计办法，这也是目前s t a t c o m 控制器设计中的 一个趋势。 s t a t c o m 在不对称条件下的安全可靠运行是其又一急待解决的问题。 新的功率器件的采用使得s t a t c o m 主回路拓扑结构的设计成为该领域 的一个新的课题。 1 4 本文主要内容 本课题对目前已经投入使用的输电系统s t a t c o m 和科研院所正在研究和 试验的d s t a t c o m 主回路和普遍使用的控制策略进行了分析研究。分析了 d - s 己盯c o m 的性能要求，在借鉴高压输电系统多重化结构的s t a t c o m 消除电 压谐波思想的基础上，提出了交错驱动控制的d s t a t c o m 主回路结构和控制 方法。详细分析了这种主电路结构和控制方法的优点，并设计了样机。实验结果 表明了本课题具有较高的实际应用价值，与d s t a t c o m 传统结构和控制方法 的相比，本文所讨论的主回路结构和控制方法，在减小输出纹波、减小直流侧纹 波、减少装置开关损耗和提高装置容量方面都具有明显优势。 本文的内容包括以下几个方面： 8 山东大学硕士学位论文 说明无功补偿的意义，介绍了无功补偿装置发展情况以及s t a t c o m 的 研究现状。 对目前应用的s t a t c o m 主电路设计中，所采用的技术和结构形式进行 了研究，针对适用于低压d s t a t c o m 的三相全桥变流器的不足，提出了交错 驱动控制的主回路结构和控制方法。 详细分析了三相全桥变流器的工作状态，着重从直流侧交换功率和输出 纹波两个方面加以分析，对采用交错驱动技术的三相全桥变流器的工作状态进行 分析，并通过仿真验证采用交错驱动技术的优势。 对s t a t c o m 变流器装置级控制策略进行了研究，详细介绍了逆系统法 和微分几何法两种应用于非线性系统的控制方法。对适用于s t a t c o m 的逆系统 控制律和微分几何控制律进行设计。对直接电流控制的方法进行了总结，提出本 设计所采用的控制方法。 从s t a t c o m 的性能要求入手，详细分析了电压源逆变器( v s i ) 主回 路结构的s t a t c o m 在三角载波p w m 控制方式下的工作特点，并依据分析结果 对采用四交错驱动桥式并联结构主回路器件进行了选择。 对控制部分进行设计。主要包括部分双闭环直接电流控制的电流、电压 调节器参数和数字化实现。对控制系统进行了仿真分析，验证其性能。部分硬件 的选型和部分电路的实现。 对研制样机进行了实验。 9 山东大学硕士学位论文 第2 章s t a t c o m 系统结构及交错驱动技术 静止同步补偿器( s 吼玎c o m ) 在学术上又称为静止无功发生器( s v g ) ，其 基本原理就是将自换相桥式变流电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当的 调节变流器交流侧输出电压的幅值和相位( 电流间接控制) ，或者直接调节变流 器的输出电流( 电流直接控制) ，达到输出或吸收无功的目的，从而实现动态无 功补偿。另外由于动态响应速度快，s v g 还兼有滤波器的作用。 2 1s t a t c o m 主电路形式及工作原理 2 1 1 主电路形式 s ”汀c o m 的主电路可分为电压型和电流型，但目前已实现的装置中均采用 电压型的电路结构。大容量s t a t c o m 多采用以g t o 为开关器件的多重化或多 电平结构嗍【9 】；小容量s t a t c o m 多采用以i g b t 为开关器件的p w m v s i 结构。 ( a ) 电压型逆变电路( b ) 电流型逆变电路 图2 - 1s t a t c o m 的主电路结构图 电压型逆变电路和电流源型逆变电路，如图2 1 ( a ) 、( b ) 所示。电压逆变 电路需要串联电抗器才能并入电网；电流源逆变电路需要并联换相过压吸收电容 才能并入电网。目前应用中只采用电压型而不采用电流源逆变电路的主要原因 有： 电流型逆变电路需采用具有双向电压阻断能力的大功率开关器件，而常 用的可关断器件( 如g t o 、i g b t ) 要么反向阻断能力差，要么在导通损耗等其 它方面性能欠佳，而电压型逆变电路没有受到类似限制。 实际系统中，电流源型逆变电路直流侧的电抗较电压型逆变电路直流侧 电容的损耗要大的多、噪声大、直流侧的交换功率难以做大，这些缺点大大限制 1 l 山东大学硕士学位论文 了电流源型逆变电路在s t a t c o m 中的应用。 电压型逆变电路由于直流侧采用大容量电容，具有天然的防止器件过电 压的功能，而电流型逆变电路需要设置附加的过电压保护电路或者器件降压电 路。 电压型逆变电路以其特有的优势成为现有的s t a t c o m 主回路结构的主流 选择。本文研究的也正是电压型主电路结构的s t a t c o m ，并在此基础上进行优 化设计。 2 1 2s l 玎c o m 工作原理 电压型主电路结构的s t a t c o m ，只补偿无功时，可认为是幅值和相位都可 控的与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上。s t a t c o m 工作原理可以用下图的单相等效电路来说明。 x 皇l ( a ) 单相等效电路( b ) 电流超前( c ) 电流滞后 图2 2s v g 等效电路及工作原理( 不考虑损耗) 如图2 2 ( a ) 所示，电网交流电压为u s ，s v g 输出的交流电压为u s v g ，则 u s 与u s v g 之间的相量差作用于电抗x 上，从而流过电抗器的电流就可以通过 控制其两端电压来实现，这个电流就是s v g 从电网吸收或发出的无功电流。因 此通过控制s v g 交流侧输出电压u s v g 幅值及其相对于u s 的相位，就可以改变 电抗器两端的电压，从而控制s v g 从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了 s v g 吸收无功功率的性质和大小。 在忽略装置的损耗的理想情况下，s v g 不必从电网吸收有功能量，此时， 只需使u s v g 与u s 同相位，仅改变u s v g 的幅值大小就可以控制s v g 从电网吸 收的电流的大小和性质。 如图2 2 ( b ) ( c ) 所示，当u s v g 大于u s 时，电流超前电压9 0 0 ，s v g 吸收 1 2 山东大学硕士学位论文 容性的无功功率，当u s v g 小于u s 时，电流滞后电压9 0 0 ，s v g 吸收感性的无功 功率，这样就可以动态的控制无功功率，实现无功补偿的目的。 ( a ) 单相等效电路( b ) 电流超前 ( c ) 电流滞后 图2 - 3s v g 等效电路及工作原理( 考虑损耗) 在非理想情况下，将s v g 整个回路的损耗等效为连接电抗器的电阻r 考虑， 如图2 3 ( a ) 所示。电网交流电压为u s ，s v g 输出的交流电压为u s v g ，加在连 接电抗器两端的电压为u 。v g 与u s 的相量差。在这种情况下，变流器电压u s v g 与电流i 相差9 0 0 ，因为变流器无需有功能量，而电网电压u 。与电流i 的相位不 再相差9 0 0 ，而是比9 0 0 小了万角，因此电网就需要提供有功功率来补偿电路中 的损耗，也就是说，相对于电网电压来说，电流i 中有一定量的有功分量。其相 量图如图2 3 ( b ) ( c ) 、所示。 由相量图可知，这个万角就是变流器电压u 。v g 与电网电压u s 的相位差。改 变这个相位差，并且同时改变u 。v g 的幅值，就能改变电流i 的相位和大小，从 而s v g 从电网吸收的无功功率的大小和性质也就因此得到调节。需要说明的是 图2 7 、图2 8 将变流器本身的损耗也归算到交流侧，并归入连接电抗器电阻中 统一考虑，这才有u 。v g 与t 成9 0 。角。实际上，这部分损耗发生在变流器内部， 应该由变流器从交流侧吸收一定有功能量来补充。因此，实际上变流器交流侧电 压u s v g 与电流i 的相位差比9 0 。要小。因此，对于三相电压型s v g 装置采用直流 电容作为电压源，其充电能量和电路的损耗，可由直流侧设置的电源供给，也可 以由交流侧通过变流器供给。由于对于基波来说，正弦三相三线电路的瞬时基波 无功为零，所以瞬时流入的无功电流总是等于流出的无功电流，因此所需要的直 流侧电容的容量不大。此外若控制方法得当，s v g 在补偿无功的同时还可以补 山东大学硕士学位论文 偿部分谐波。 2 1 3s t a t c o m 稳态模型 对s t a t c o m 进行分析研究，离不开装置的数学模型，因此这里对 s t a t c o m 的稳态模型进行建模【1 0 】，为后续控制策略的研究提供依据。 s t a t c o m 图2 4s t a t c o m 的稳态模型示意图 对s 玑盯c o m 做如下假设： 将s t a t c o m 装置中的各种损耗及电阻包括开关器件的导通电阻用等效 电阻r 表示，各个支路的串联电感和线路电感用等效电感l 表示。 由于s t a t c o m 装置采用输出电流含谐波成分时，其电感对谐波的阻抗 与基波阻抗不同，所以建模时只考虑s t a t c o m 输出电压基波分量而忽略谐波分 量。 基于上面的假设，s t a t c o m 装置总的输出电压为 味归伽n ( 删) ( f ) = 伽n ( 缈f _ 2 n 棚 ( 2 1 ) 以惦伽嘶n ( 叭了2 n 胡 其中d 为系统线电压k 与直流侧电压的比，万为s t a t c o m 输出相电压 与系统电压的夹角，为可控量。而系统三相电压为 1 4 山东大学硕士学位论文 以归屉s i n 研 啪，= 屉s 访c 耐一争 以沪屉咖c 叫+ 争 ( 2 2 ) 根据s t a t c o m 装置的原理图，可以列出s t a t c o m 装置的a b e 的三相数学 方程： 掣巩飞( ，) _ r i o ( ，) l d i b ，( t _ _ ) ：“1 6 ( ，) 一“曲o ) 一尺屯( f ) ( 2 3 ) d t 掣训沪嘣f ) - r i 。 将式( 2 1 ) ( 2 2 ) 代入( 2 3 ) 中得 掣= 伽n c 加沪序血耐吨 三掣= 伽n c 耐一了2 z t 切一屉s i n c 耐一争酬沼4 ， 掣= 伽n c 纠+ 了2 n ：切一屉咖c 研+ 争删 而直流侧电容电压的方程可以由能量关系得： d 三1l ，u 出2 ( f ) ) = 七曲( 睨( ，) + “曲( ，) 屯( f ) + 材缸( ，) t ( f ) 】 ( 2 5 ) 将( 2 1 ) 式代入( 2 5 ) 式得： 华= 一信知舢i n ( 研埘州舢i n ( 研一了2 z r 删删s i n ( 斛2 3 n 棚】 因此s t a t c o m 的数学模型为： 1 5 山东大学硕士学位论文 三掣= 伽叫岍矿摩血一拍， 三掣= 尽叫n c 加了2 z 咽一廖s 血c 硝一争删 三掣= 序嘶呱谢+ 了2 n 叫一屉s 抽c 烈+ 争酬亿6 ， 掣= 一店强f ) s i n ( 纠棚州s i n ( 研一了2 z 棚 + t ( f ) s i n ( f + 2 3 z ：一万) 】 式( 2 6